Тонущие города - Геннадий Разумов

Сооружения в городах располагаются на глубинах до сотни метров. Чем ближе к поверхности земли, тем более насыщено подземное пространство различными сооружениями (рис.67). На глубинах до 20–40 м, особенно в центрах крупных городов, создаются многоярусные — 10–12 этажей — подземные комплексы.

Подземная среда — это прежде всего горные породы, грунты (эти термины — синонимы, первый из них употребляют геологи и горняки, второй — строители). Но это также и вода, подземная вода, заполняющая поры и трещины в породах. Поэтому подземные сооружения — это одновременно и «подводные» сооружения.

Подземные воды ставят проблемы на всех этапах освоения подземного пространства: и при строительстве, и при эксплуатации сооружений.

Для того чтобы разместить под землей сооружение, требуется прежде всего освободить для него пространство, т.е. произвести выемку грунта. Как и в горном деле, в строительстве применяют две системы разработки грунта: открытую и закрытую. Первая из них — это разработка котлованов, траншей и других выемок с поверхности земли. Выемки открыты по всей своей площади. При закрытой системе на поверхность выходят только входные выработки — шахты, тоннели, основная же часть освобождаемого под сооружения пространства располагается под землей и разрабатывается подземным способом.

Заглубляясь ниже уровня подземных вод, выемка, так сказать, вызывает приток воды на себя. Вытекая из грунта в выемку, вода может производить разрушительную работу. Она способна своим гидродинамическим воздействием увлекать с собой грунт, приводя его в плывунное состояние, в результате чего происходит оплывание нижней части откосов и обрушение остальной расположенной выше части. Выходя из дна котлована, вода взвешивает грунт, разрыхляет его и может сделать непригодным в качестве основания сооружения. Она ухудшает и осложняет производство земляных, монтажных и других строительных работ в котловане. На многое еще способна вода.

Поэтому откачка воды непосредственно из котлована (открытый водоотлив) применяется либо в таких случаях, когда некоторые нарушения допустимы (например, в крупных котлованах на свободных территориях можно допустить оплывание откосов в каких-то размерах), либо в таких грунтовых условиях, которые не создают осложнений. Это грунты, устойчивые к воздействию текущей воды: галечники, скальные породы. Но и здесь возникают свои сложности. В скальных породах, например, вода движется в трещинах, которые могут быть заполнены рыхлым материалом. В результате размыва этого заполнителя сечение трещин увеличивается, приток воды может возрасти и справиться с ним будет трудно. Словом, лучше бы не допускать воду в котлованы.

При закрытой, подземной разработке строительных выработок приток в них воды вызывает еще большие осложнения. Вынос водой грунта — при значительном его объеме — чреват аварийными последствиями и для самой выработки, и для расположенных над ней, на поверхности земли, сооружений. Вынос грунта в небольших размерах, его подвижки могут привести к деформациям уже готовой части подземного сооружения, например обделки тоннеля. Да и поступление чистой воды в стесненную подземную выработку создает дополнительные трудности в проведении строительных работ. Следовательно, и в подземную выработку, вернее, особенно в подземную выработку лучше бы воду не допускать.

В этом направлении развивалась и продолжает развиваться техника борьбы с подземными водами. Здесь имеются три пути: первый — перехватить, откачать воду за пределами выработки, второй — отжать воду от выработки и третий — поставить воде преграду.

Первый путь — это водопонижение, искусственное понижение уровня подземных вод. Истоки этого метода идут от колодцев, а затем буровых скважин, из которых издревле добывали воду. При откачке воды уровень ее в скважине или колодце понижается, вызывая приток воды из окружающего водоносного грунта. Уровень воды в грунте также понижается с уклоном в направлении течения, и вокруг скважины образуется депрессионная воронка. Если откачку воды ведут из группы скважин, они взаимодействуют друг с другом и их депрессионные воронки объединяются, образуя общую депрессию уровня подземной воды. В этой осушенной зоне (над депрессионной воронкой) располагается выработка в грунте. Водопонизительные скважины размещают, как правило, по контуру осушаемой выработки, устанавливают в них насосы, объединяют общим трубопроводом для сброса откачиваемой воды и линией электроснабжения. Это уже водопонизительная система. Крупные водопонизительные системы, например на котлованах гидроэлектростанций или на карьерах полезных ископаемых, состоят из десятков, а то и сотен скважин, из которых ведется откачка непрерывно в течение нескольких лет.

Помимо скважин с размещенными в них погружными насосами при водопонижении используют и другие специально созданные для этого технические средства. Прежде всего это хорошо известные строителям и горнякам легкие иглофильтровые установки. Иглофильтр — полуторадюймовая труба длиной обычно 6 м с фильтровым звеном длиной 1 м на нижнем конце. С помощью гидроразмыва иглофильтры погружают в грунт на расстоянии 0,75–1,5 м один от другого, присоединяют их (до 100 штук в одном комплекте) к всасывающему трубопроводу, к которому подключен насос, и иглофильтровая установка готова к действию. За счет вакуума, развиваемого насосом, она понижает уровень подземных вод на 4–5 м, иногда немного больше. Если требуется большее понижение уровня, иглофильтровые установки можно размещать последовательно в нескольких ярусах.

И скважины, и иглофильтры справляются со своими задачами в хорошо водопроницаемых, преимущественно песчаных грунтах. Слабопроницаемые грунты (тонкозернистые и глинистые пески, супеси, суглинки) плохо и медленно отдают воду. А осушать их при строительстве особенно необходимо — каждый может себе представить, что такое раскисший глинистый грунт, по которому ни проехать, ни пройти.

Одно из эффективных средств осушения слабопроницаемых грунтов — их вакуумирование. В полости фильтров (в скважинах или иглофильтрах) создают вакуум, распространяющийся на прилегающий к ним грунт. В этом случае к силе гравитации добавляется атмосферное давление, выжимающее воду из пор грунта в фильтры. Вода может и остаться в грунте, но она переходит в капиллярное состояние, с давлением ниже атмосферного, обжимая скелет грунта и упрочняя его. Для вакуумирования грунта используют эжекторные иглофильтры и иглофильтровые установки вакуумного водопонижения.

Этот краткий обзор средств водопонижения создает впечатление, что они могут справиться со своей задачей практически в любых гидрогеологических условиях. И это действительно так. Но это не значит, что здесь все в порядке и беспокоиться не о чем. Посмотрим немного внимательнее.

Основные средства водопонижения — вертикальные скважины — ничем не отличаются от скважин, предназначенных для водоснабжения. Но цели этих процессов противоположны. При водоснабжении требуется получить максимум количества воды (дебит) при минимальном понижении уровня подземных вод. При водопонижении, наоборот, требуется понизить уровень при минимальном расходе воды. Лишняя вода — это дополнительные бесполезные затраты. Для целей водоснабжения скважины стремятся заглубить в наиболее водопроницаемые слои. При водопонижении такой подход ведет к лишнему расходу откачиваемой воды. Но заглублять скважины приходится, чтобы обеспечить достаточную площадь входа воды в фильтр. Очевидно, что для водопонижения более рационально развивать водоприемники не по вертикали, а по горизонтали, ограничивая их глубину, т.е. переходить от вертикальных скважин к системам горизонтальных фильтров.

Широко распространенные иглофильтровые установки с вертикальными фильтрами представляют собой, по существу, горизонтальные дрены, выполненные в виде цепочки часто расположенных коротких фильтровых звеньев. Но длина всех трубопроводов иглофильтровой установки в 10–12 раз больше длины самой установки. Это — следствие вертикального расположения фильтров.

Горизонтальные фильтры нужны для водопонижения не только по соображениям экономики. Часто встречаются гидрогеологические условия, в которых вертикальные водоприемники не могут дать требуемого эффекта осушения грунтов. К ним относятся, в частности, случаи, когда котлован полностью перерезает водоносный пласт и достигает водоупорного слоя (такие выработки называют совершенными). Здесь требуется полный перехват потока подземных вод, а это может быть сделано только горизонтальной дреной, лежащей на водоупоре, в подошве водоносного пласта.

Системы с горизонтальными фильтрами существуют, и предпринимаются усилия для применения их с целью водопонижения. Прежде всего это лучевые водозаборы, каждый из которых представляет собой шахту с продавленными из нее в грунт по радиальным направлениям горизонтальными трубами-фильтрами. Они обладают большой водозахватной способностью, экономичны в эксплуатации. Но недостатком их являются шахты, сооружение которых плохо увязывается с мобильным характером строительного водопонижения. Для ликвидации этого недостатка создают конструкции малых лучевых колодцев, вертикальным стеолом которых должна служить не шахта, а буровая скважина.